資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式探索

高峰 劉宇 崔素萍

[摘 要] 針對首都經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級對人才培養(yǎng)知識結(jié)構(gòu)和專業(yè)能力的現(xiàn)實(shí)需求，北京工業(yè)大學(xué)資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)依托國家級科研基地，以學(xué)科前沿、工程實(shí)踐問題為導(dǎo)向，構(gòu)建了具有資源節(jié)約和環(huán)境友好特色的多層次、立體化實(shí)踐教學(xué)平臺，設(shè)計(jì)出融合“資源循環(huán)+材料制造+綠色設(shè)計(jì)”的系列新實(shí)驗(yàn)，探索了線上與線下相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式，推進(jìn)了多元化教學(xué)效果評估改革，提升了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，以滿足新工科建設(shè)對學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的要求。

[關(guān)鍵詞] 資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè);實(shí)踐教學(xué)平臺;新工科

[基金項(xiàng)目] 2020年度教育部第二批新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目“面向京津冀區(qū)域綠色發(fā)展的材料新工科實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)平臺與制度體系建設(shè)”（E-XTYR20200601）;2020年度北京工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)研究課題“新工科背景下資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)升級改造與創(chuàng)新人才培養(yǎng)路徑探索”（ER2020A009）;2020年度北京工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)研究課題“材料綠色制造理論與實(shí)踐教學(xué)資源優(yōu)化整合研究”（ER2020B041）

[作者簡介] 高 峰（1978—），男，北京人，工學(xué)博士，北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部材料學(xué)院院長，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事生態(tài)環(huán)境材料與資源循環(huán)科學(xué)研究;劉 宇（1984—），男，北京人，工學(xué)博士，北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部副教授，主要從事環(huán)境材料與生命周期評價(jià)研究;崔素萍（1964—），女，山西太原人，工學(xué)博士，北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部教授，主要從事生態(tài)建材和無機(jī)非金屬材料研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）33-0105-04? ? [收稿日期] 2021-03-17

一、背景

當(dāng)前世界范圍內(nèi)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速進(jìn)行，我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，高等教育步入新階段。為了推動(dòng)傳統(tǒng)工科專業(yè)適應(yīng)新時(shí)代科技變革與發(fā)展趨勢，教育部通過“復(fù)旦共識”“天大行動(dòng)”和“北京指南”的起承轉(zhuǎn)合，全面啟動(dòng)并系統(tǒng)部署了新工科建設(shè)，推動(dòng)高校進(jìn)行深入的探索和實(shí)踐[1]。

為了滿足國家節(jié)能減排，綠色、低碳、循環(huán)經(jīng)濟(jì)等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)對高素質(zhì)人才的迫切需求，2009年教育部部署設(shè)置了“資源循環(huán)科學(xué)與工程”戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)專業(yè)。北京工業(yè)大學(xué)是首批公布同意設(shè)置的十所高校之一。經(jīng)過十多年的發(fā)展，專業(yè)緊密圍繞首都及京津冀區(qū)域無廢城市的建設(shè)需求，以環(huán)境友好的資源高效循環(huán)為特色，構(gòu)建了上承冶金循環(huán)、下啟材料研發(fā)、旁引環(huán)境評價(jià)的教學(xué)體系，努力培養(yǎng)適應(yīng)社會可持續(xù)發(fā)展、面向多學(xué)科交叉領(lǐng)域的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才。在專業(yè)人才培養(yǎng)過程中，實(shí)踐教學(xué)是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。在新工科背景下，專業(yè)在實(shí)踐課程體系和教學(xué)條件的建設(shè)和發(fā)展方面仍存在課程知識結(jié)構(gòu)、實(shí)踐教學(xué)案例不適應(yīng)新形勢等問題[2，3]。近年來，隨著首都“四個(gè)中心”戰(zhàn)略定位的不斷深化發(fā)展，資源循環(huán)和材料制造等相關(guān)企業(yè)已逐步外遷，以配合首都經(jīng)濟(jì)圈產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局調(diào)整，這對專業(yè)的實(shí)踐實(shí)習(xí)教學(xué)產(chǎn)生了較大影響，引發(fā)了實(shí)踐教學(xué)條件不足、難以持續(xù)穩(wěn)定開展等現(xiàn)實(shí)問題。2020年，針對新冠肺炎疫情防控常態(tài)化的形勢，對人員聚集度較大的傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)組織模式提出了新的挑戰(zhàn)。

針對以上問題，專業(yè)教師團(tuán)隊(duì)依托“工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室”與“首都資源循環(huán)材料技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心”等高水平重點(diǎn)科研基地，通過構(gòu)建“線上+線下”相結(jié)合的專業(yè)實(shí)踐教學(xué)平臺，探索實(shí)踐教學(xué)模式，提升學(xué)生靈活運(yùn)用跨學(xué)科知識和方法解決復(fù)雜工程問題的能力，以滿足新工科建設(shè)對學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的要求。

二、專業(yè)特色實(shí)踐教學(xué)模式的探索

我校資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)自建立之初就秉持資源循環(huán)、材料產(chǎn)品和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的理念，專業(yè)教育始終以綠色發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)為主線，引導(dǎo)學(xué)生從生態(tài)學(xué)、環(huán)境倫理的角度認(rèn)識資源循環(huán)與高效再生過程，通過生命周期評價(jià)方法印證資源循環(huán)再生、材料高效制備對環(huán)境的影響。專業(yè)教師團(tuán)隊(duì)將國家重點(diǎn)研發(fā)等系列課題研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)出“城市礦產(chǎn)”循環(huán)再造、固廢協(xié)同處置、材料生命周期評價(jià)與生態(tài)設(shè)計(jì)等一系列新實(shí)驗(yàn)，實(shí)施以數(shù)據(jù)技術(shù)為支撐的資源循環(huán)再生+材料設(shè)計(jì)制備+生命周期評價(jià)的多學(xué)科交叉的專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系，并通過實(shí)施效果評價(jià)將專業(yè)知識學(xué)習(xí)、實(shí)踐能力培養(yǎng)、專業(yè)素質(zhì)融合構(gòu)建培養(yǎng)模式。

（一）“線下+線上”相融合的實(shí)踐教學(xué)平臺建設(shè)

1.資源循環(huán)與綜合利用線下實(shí)驗(yàn)平臺。該線下實(shí)驗(yàn)平臺主要由兩部分組成：（1）戰(zhàn)略金屬資源高效循環(huán)再造實(shí)驗(yàn)，包括廢棄鈷鎳材料、退役電池中的有價(jià)金屬、電子電器中的廢棄電路板等模塊，涵蓋廢舊金屬高效循環(huán)過程中的破碎分選單元、浸出凈化單元、金屬萃取單元、深度凈化單元的相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備與裝置。實(shí)驗(yàn)圍繞濕法冶金和火法冶金的典型金屬資源循環(huán)工藝技術(shù)展開，根據(jù)鈷、鎳、鎢等實(shí)際二次資源物料的特征組成，設(shè)計(jì)/開發(fā)有色金屬廢料資源循環(huán)的工藝方案。針對廢舊鈷鎳電池材料、廢舊硬質(zhì)合金中的典型金屬再生過程，設(shè)計(jì)滿足資源循環(huán)工程不同工段環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)手冊開展實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)和材料再造性能測試分析。（2）城市與工業(yè)固體廢棄物綜合利用實(shí)驗(yàn)。針對城市建筑垃圾、廢棄玻璃、廢棄陶瓷、垃圾焚燒飛灰、粉煤灰、煤矸石、脫硫石膏等多類型城市固廢和工業(yè)固廢，設(shè)計(jì)以水泥窯協(xié)同處置固廢并制備水泥，廢棄物制備填料、骨料、泡沫玻璃、透水陶瓷磚等產(chǎn)品，并進(jìn)行再生材料產(chǎn)品性能的測試分析。

2.流程工業(yè)產(chǎn)品生命周期多維評價(jià)線上實(shí)驗(yàn)平臺。該線上平臺參照廢棄鈷鎳材料循環(huán)再造企業(yè)、水泥窯協(xié)同處置固廢生產(chǎn)企業(yè)等實(shí)際生產(chǎn)流程，按比例進(jìn)行三維建模設(shè)計(jì)，分批次建立了廢棄鈷鎳金屬循環(huán)再造流程和水泥窯協(xié)同處置固廢流程的設(shè)備操作仿真系統(tǒng)和工藝控制仿真系統(tǒng)。三維虛擬仿真系統(tǒng)具備工藝流程、生產(chǎn)物料流及主要裝備結(jié)構(gòu)剖析、廠區(qū)環(huán)境模擬、工廠虛擬漫游等功能，由設(shè)備操作仿真和工藝控制仿真操作系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信號的模擬、連鎖控制與監(jiān)控，并準(zhǔn)確反映多個(gè)自變量與因變量之間的邏輯關(guān)系，模擬生產(chǎn)過程的各類故障處理，能夠反復(fù)進(jìn)行實(shí)操訓(xùn)練，并整合了對應(yīng)的模擬仿真考評系統(tǒng)，可隨機(jī)進(jìn)行實(shí)操考核等功能。通過引入生命周期評價(jià)和生態(tài)設(shè)計(jì)方法，可實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)和材料再生制備流程及其工藝參數(shù)調(diào)控、優(yōu)化過程的環(huán)境負(fù)荷可視化分析與展示，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生對廢舊金屬循環(huán)再生、廢棄物協(xié)同處置生產(chǎn)流程及其工藝裝備的透徹認(rèn)知和深入理解。